[发明专利]三维力触觉传感器

说明书

本发明涉及仿生触觉技术领域，尤其涉及一种三维力触觉传感器，包括柔性电路板和至少一个离电压力传感结构，离电压力传感结构和柔性电路板层叠设置；柔性电路板的电极层包括至少一个传感单元，传感单元包括至少四个叉指电极；离电压力传感结构包括底板和与底板一体成型的半球形凸起，底板与传感单元相接触的面为粗糙面。本发明提出的一种三维力触觉传感器，解决了现有的三维力触觉传感器存在结构复杂、灵敏度低、三维力测量精度差的问题。

技术领域

本发明涉及仿生触觉技术领域，尤其涉及一种三维力触觉传感器。

背景技术

电子皮肤最重要的功能为触觉感知，触觉感知包括检测各种刺激，例如压力、温度、剪切力、弯曲、振动和滑动等，其在可穿戴设备、机器人技术和假肢等领域具有广泛的应用。电子皮肤在实际的触觉感知中，能检测和区分法向力及切向力的三维力电子皮肤对于模拟天然皮肤以实现真正的人工智能触感非常重要。这将使电子皮肤能编码更丰富的信息，使其更接近自然触摸并具有高级感测能力。此外，准确感测法向及切向力对于在机器人辅助手术系统中轻柔地抓握和操纵人造指尖上的物体至关重要，感测到的摩擦或挠痒也会使仿生机器人产生更多的情绪反应。

近年来，研究人员致力于开发三维力电子皮肤并取得了一定的突破，例如意大利Beccai课题组基于平行板电容原理，开发出柔性三维力传感器，在切向分力的作用下，四个传感点由于平行板电容的相对面积不一致导致电容大小的差异，从而判断出三维力的大小和方向。国内Xue课题组开发了一种基于CNTs/PDMS压阻纳米复合材料的4×4三维力电子皮肤，每个传感单元均分布有四个法向压力传感点，通过在剪切力下引起的四个传感点输出信号的不同来判断力的方向，由于传感单元灵敏度受限且体积较大，无法实现高空间分辨率的传感阵列。美国Bao课题组开发了基于非对称互锁结构的电容式电子皮肤(5×5阵列)，半球形阵列底部电极的每个单元与其顶部电极中的25个微金字塔阵列接触。由于不对称的互锁几何形状，每个半球形中的25个传感器像素在多向压力下会发生各向异性变形，从而判断出三维力的大小与方向。但是上述电子皮肤的制备工艺复杂，不利于大面积的集成。此外基于典型的平行板电容式传感原理的电子皮肤灵敏度低，易受到环境噪声干扰。

现有的压阻式三维力电子皮肤能够根据在剪切力作用下四个法向压力传感点所受压强的不同来判断力的大小和方向。但是压阻式传感原理存在的响应慢、灵敏度低、噪音大及响应非线性等问题。平行板电容式三维力电子皮肤在切向力作用下引起四个传感点的相对面积的不一致导致电容大小的差异，从而检测出力的大小和方向。利用这种传感机理的三维力电子皮肤存在的主要缺点是电容值小，一般为几到几十pF，极易受到外界环境噪声的干扰。

发明内容

本发明提出三维力触觉传感器，以解决现有的三维力触觉传感器存在结构复杂、灵敏度低、三维力测量精度差的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是：三维力触觉传感器，包括柔性电路板和至少一个离电压力传感结构，所述离电压力传感结构和柔性电路板层叠设置，其中

所述柔性电路板的电极层包括至少一个传感单元，所述传感单元包括至少四个叉指电极；

所述离电压力传感结构包括底板和与底板一体成型的半球形凸起，所述底板与传感单元相接触的面为粗糙面。

优选的是，所述半球形凸起的直径和底板的厚度的比例在1-1000:1的范围内。

优选的是，所述半球形凸起的直径和底板的厚度的比例在6-30:1的范围内。

优选的是，所述柔性电路板为柔性印制电路多层板。

优选的是，多个所述传感单元构成叉指电极阵列，所述叉指电极阵列采用一列或一行共用一条位线的方式布置在所述柔性电路板的基板上。

优选的是，所述柔性电路板还包括屏蔽层，所述屏蔽层采用共地覆铜的方式布置在所述电极层上。

优选的是，所述离电压力传感结构的材质为离电压力传感橡胶。